解正坤，王鵬，何汶華

廣州市增城勁輝五金塑料廠

溫度梯度儀器設(shè)備的電氣控制實現(xiàn)

解正坤，王鵬，何汶華

廣州市增城勁輝五金塑料廠

為了測量乳液、涂料、及塑料用聚合物的成膜溫度，我們設(shè)計了一種可以產(chǎn)生溫度梯度的設(shè)備，設(shè)備的溫度采集點共19點，控溫精度±1℃，溫度范圍-10-70℃。

數(shù)控可調(diào)開關(guān)電源；PID控制；STM32；數(shù)字溫度傳感器

一.概述

為了測量乳液、涂料、及塑料用聚合物的最低成膜溫度，我們設(shè)計了一種可以產(chǎn)生溫度梯度的設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)為一個金屬梯度板，該金屬板的兩端分別設(shè)置制冷源和加熱源，并通過金屬熱傳導(dǎo)，在板上形成連續(xù)變化的溫度梯度。在該溫度梯度板上涂布乳液或聚合物分濕膜，可觀察得樣品在不同溫度下的固化狀態(tài)；讀出對應(yīng)梯度板上的溫度，可得樣品的最低成膜溫度。

二.系統(tǒng)架構(gòu)和控制量

設(shè)備開發(fā)前經(jīng)過分析論證，采用STM32單片機做中央處理器，STM32強大的核心功能以及眾多的外設(shè)為設(shè)備開發(fā)提供了大量的可選項，經(jīng)過設(shè)計規(guī)劃，需要采集和控制的數(shù)量如下：

1.溫度采集共19個點，其中16個點為溫度梯度板的采集（采集點數(shù)越多，溫度分辨率越高），半導(dǎo)體制冷片冷卻水溫1個點，冷端和熱端各一個采集點，由于需要的溫度控制范圍僅為-10℃-70℃，所以溫度傳感器全部采用數(shù)字式溫度傳感器AD592CN；

2.PID控制信號2個，采用PWM，其中一個用來控制制冷，一個用來加熱；

3.水流傳感器1個，為脈沖信號，隔離后直接進(jìn)單片機；

4.繼電器控制1個，通斷電源；

5.液晶屏采用某成熟品牌串口屏節(jié)省IO,提高硬件效率；

統(tǒng)計下來共有如下控制量：19個溫度信號（模擬量）輸入，2個PWM輸出，1個開關(guān)量輸出；還有一個RS232標(biāo)準(zhǔn)串口；

綜合上面的要求，最終選定STM32F103RBT6作為MCU，只有64個引腳非常便于小批量設(shè)備生產(chǎn)焊接，而且可以提供16個模擬量輸入通道，只要稍微擴展一下就可以滿足要求了，所以再使用一片ADS1115四通道AD擴展模擬量輸入，CPU原理圖略。

三.A/D轉(zhuǎn)換和溫度傳感器

1.STM32自帶12位AD，其采樣速度最高可達(dá)1M/S，利用它采樣速度較高的原理，可以進(jìn)行過采樣來提高A/D轉(zhuǎn)換的分辨率及精度，由于我們選用的單片機STM32F103RBT6只有64個引腳，沒有單獨的電壓參考輸入VREF,只有一個內(nèi)部電壓參考VREFINT，內(nèi)部參照電壓VREFINT與一般AD參考電壓源不是一回事。ADC的參考電壓一般都是通過專用電壓參考引腳提供精密電壓源并作為ADC的電壓基準(zhǔn)。我們使用的這款STM32單片機實際上是直接把VCC電壓當(dāng)成參考源，這樣帶來的缺點就是ADC的轉(zhuǎn)換精度受到VCC電壓很大的影響，可以借用STM32的內(nèi)部參照電壓VREFINT校正測量精度，其運算原理如下：

以測量ADC1通道的電壓值為例，先讀出參考電壓的ADC測量結(jié)果，記為ADC_REF；再讀出要測量通道的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，記為AD_chx；則要測量的電壓為：

temp_x=VREFINT*（（（AD_chx*（VREF/4096））/（ADC_REF*（VREF/4096）））

注：VREFINT=1.2V，VREF為參考電壓值=3.3V。

公式簡化：

temp_x=VREFINT*（AD_chx/AdC_REF）

外部參考電壓在最終的計算公司里面消失了，這種方法等于間接將內(nèi)部參照電壓VREFINT當(dāng)成是ADC參考電壓，也就是說，此時外部參考電壓的準(zhǔn)確度已在此已對結(jié)果影響消除了，ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果基本由VREFINT的精度決定。

STM32F103RBT6單片機可以配置16路模擬輸入，對應(yīng)的引腳分別是：

PA0-PA7(AI0-AI7共8個);PB0,PB1（AI8-AI9共2個）;PC0-PC5（AI10-AI15共6個）；采用DMA模式讀取數(shù)據(jù)，配置函數(shù)略。

經(jīng)過實測，單片機自帶AD效果很不錯,溫度顯示分辨率達(dá)到0.1℃。

2.另外還有三個通道經(jīng)過外置ADS1115進(jìn)行轉(zhuǎn)換，ADS1115是4通道16位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，最大轉(zhuǎn)換速度860SPS/S，由于其精度較高，且內(nèi)置高精密參考電壓源，使用的效果很好，具體代碼由于篇幅有限，不詳細(xì)解說；

3.溫度傳感器AD592是一種數(shù)字式溫度傳感器，其工作電壓4-30V,溫度測量范圍-25-125℃，最大誤差±0.5℃，它的輸出電流和溫度有非常好的線性關(guān)系，是一個恒流器件。

四.數(shù)控電源用來提供0-24V連續(xù)可調(diào)的電壓，電流要達(dá)到20A,具體技術(shù)指標(biāo)略

程序最主要的是對冷端和熱端進(jìn)行PID控制，PID核心代碼摘錄如下：

PID主要代碼如下：

PID計算部分

float PIDCalc(PID*pid,float NextPoint)

{

float dError,Error;

Error_value=pid-＞Setvalue-Nextvalue;//偏差

pid-＞SumError+=Error_value;//積分

Error_d=Error_value-pid-＞LastError;//當(dāng)前微分

pid-＞PrevError=pp-＞LastError;

pid-＞LastError=Error_value;

①寶雞市市民大多數(shù)經(jīng)歷過至少一次較大的城市內(nèi)澇災(zāi)害，最主要的原因是城市排水系統(tǒng)不完善，其次是地勢低洼和降雨的影響。但是，關(guān)于內(nèi)澇的主要成因，不同城區(qū)的居民對此有不同的認(rèn)知。在可能造成的災(zāi)害方面，多數(shù)認(rèn)為嚴(yán)重的城市內(nèi)澇會造成道路堵塞，甚至坍塌，進(jìn)而影響居民的出行安全。但不同職業(yè)的市民認(rèn)知表現(xiàn)出很大的差異性。

if(pid-＞SumError＞500)pid-＞SumError=500;

else if(pid-＞SumError＜-500)pp-＞SumError=-500;

return(pid-＞Proportion*Error_value//比例項

+pid-＞Integral*pid-＞SumError//積分項

+pid-＞Derivative*Error_d//微分項

);

}

///////////////////////////////////////////////////////////////////

void ZeroPID(void)

{

ColdPID.LastError=0;

ColdPID.PrevError=0;

ColdPID.SumError=0;

HotPID.LastError=0;

HotPID.PrevError=0;

HotPID.SumError=0;

ColdOutVal=0;

HotOutVal=0;

}

其它程序略……